量子色動力學(xué)(Ouantumchromoclynaml’cs，QcD)是色荷(由夸克、膠子攜帶)的su(3)非Abel規(guī)范理論，是描述夸克、膠子相互作用的動力學(xué)理論，已發(fā)展成為強(qiáng)相互作用的基本理論，它與電一弱相互作用統(tǒng)一理論組成了基本粒子理論的“標(biāo)準(zhǔn)模型”．按照此模型，構(gòu)成自然界物質(zhì)的基本組元是夸克、輕子和規(guī)范玻色子(膠子、光子、w玻色子和z玻色子)及Higgs玻色子，對稱性在決定其動力學(xué)結(jié)構(gòu)中擔(dān)任中心角色．其中，構(gòu)成強(qiáng)相互作用物質(zhì)如核子、原子核等的基本“磚塊”是夸克和膠子夸克、膠子間的相互作用由量子色動力學(xué)描述，它駕馭著核子和原子核體系形成及演化的動力學(xué)．QCD及標(biāo)準(zhǔn)模型的建立和發(fā)展是人類認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的長期的知識積累和智慧結(jié)晶．現(xiàn)在已知道構(gòu)成物質(zhì)的原子、原子核、核子(質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱)、夸克層次．從原子到夸克層次的認(rèn)識伴隨著探針能量分辨率提高的歷程，經(jīng)歷7漫長的歲月．“原子”這個(gè)名詞旱就出現(xiàn)在古希臘的哲學(xué)辭典中，不過它是用來反映當(dāng)時(shí)人們分析物質(zhì)概念時(shí)抽象思維的極限的．直到20世紀(jì)，經(jīng)過科學(xué)實(shí)驗(yàn)，物質(zhì)的原子觀點(diǎn)才建立起來．放射性的發(fā)現(xiàn)和Rutherfor(pan>的a粒子一原子大角度散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果則開啟了人類認(rèn)識物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu)的大門．Rutllelford的實(shí)驗(yàn)是使a粒子穿過金箔而發(fā)生散射．他從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：原子里有一個(gè)帶if_電的核，它的直徑大約是整個(gè)原子的十萬分之一，原子的大部分質(zhì)量集中在原子核里·對于氫原子，這個(gè)核就是質(zhì)子；電子圍繞核運(yùn)動；原子就像一個(gè)縮小的太陽系．這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)為Bohr原子結(jié)構(gòu)理論的建立提供了基礎(chǔ)隨著中子的發(fā)J~(Chadwick，1932)，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成的圖像逐漸形成．質(zhì)子和中子被發(fā)現(xiàn)后，人們開始了對這些粒子本身的研究．質(zhì)子的反常磁矩的發(fā)~(Stern，1932)和第一行的利用電子一核子彈性散射測量質(zhì)子的電磁形狀因子(H0fstadter，1956)得到質(zhì)子的電荷半徑約為lfm，表明N-t-不是類點(diǎn)粒子而有內(nèi)部結(jié)構(gòu)．同時(shí)，實(shí)驗(yàn)顯示強(qiáng)子可分為不同類超多重態(tài)，反映了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部時(shí)稱性．這些都成為Gell．Mann和Zweig提出強(qiáng)子的夸克模型(1964)的基礎(chǔ)．輕子一核子非彈散射實(shí)驗(yàn)(sLAc，1969)~了質(zhì)子內(nèi)存在類點(diǎn)組分，由此最終發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的新層次——夸克部分子．部分子模型是Feynman根據(jù)SLAC(福直線加速器中l(wèi)心)的非彈實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出的．按照部分子模型，強(qiáng)子在高能時(shí)可看作不相干的部分子組合．用流代數(shù)對深度非彈截行分析，結(jié)果表明這些部分子為自旋pan>／2的費(fèi)米子，由此自然地將部分子與Gell．Mann等提出的夸克等同．另一方面，人們對相互作用力及其理論的認(rèn)識也在不斷發(fā)展．從20世紀(jì)初開始相繼出現(xiàn)了Einstein的相對論，Heierg、Schr6dinger和Dirac等創(chuàng)立和發(fā)展的量子力學(xué)、量子電動力學(xué)(OED)，N-I-2的介子交換模型(Yukawa)，楊振寧和Mills建立的Yang．Mills非Abel規(guī)范場理論(1954)．上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和理論發(fā)展為最終建立強(qiáng)相互作用的理論QCD奠定了基礎(chǔ)．QCD是描寫夸克和膠子自由度的可重整化的非Abel規(guī)范場論．它的拉氏量(見(pan>．32)式)可由自由粒子的Dirac方程滿足定域SU(3)規(guī)范變換下的不變性導(dǎo)出．QCD拉氏量與QED拉氏量的最重要的差別來自非AbelSU(3)群的特殊結(jié)構(gòu)．在QED拉氏量中，電子的電荷是一個(gè)單值的數(shù)，光子不攜帶電荷．在QCD拉氏量中，夸克為色三重態(tài)，而膠子為色八重態(tài)，場強(qiáng)F：，中的非線性自相互作用導(dǎo)致QCD中出現(xiàn)三膠子頂點(diǎn)和四膠子頂點(diǎn)．膠子間的非線性自相互作用導(dǎo)致如下重要結(jié)果：(1)自由．OCD在高能標(biāo)度或大動量轉(zhuǎn)移時(shí)的自由特性已在理論上得到證明，這可通過微擾QCD跑動耦合(見(pan>．166)式)直觀地理解：當(dāng)動量標(biāo)度增加時(shí)，跑動耦合強(qiáng)度a。(Q。)變小；而當(dāng)Q。一*時(shí)，a；(Q。)一0，即夸克間的相互作用消失，夸克成為“自由”夸克．非Abel規(guī)范理論的自由特性由D．J．Gross、H．D．P0litzer和F．Wilzek于1973年發(fā)現(xiàn)，由此他們創(chuàng)建了OCD理論，并因此獲得2004年諾貝爾物理學(xué)獎．(2)夸克、膠子色禁閉．這與自然界中未觀察到孤立的帶色夸克和膠子相聯(lián)系·由微擾0cD跑動耦合可看到，當(dāng)Q�！謂b時(shí)，d。(Q。)一∞，即夸克間的相互作用變得如此強(qiáng)以至夸克不能被單獨(dú)分離出來．這當(dāng)然不是夸克色禁閉的證明·夸克、膠子色禁閉意味著觀測到的強(qiáng)相互作用物質(zhì)如強(qiáng)子態(tài)、原子核都是夸克、膠子組成的色單態(tài)．夸克、膠子色禁閉的機(jī)制是QCD理論中挑戰(zhàn)l}生的突出問題·經(jīng)過多年的努力探究，我終于通過協(xié)變OCD途徑破解了亨色禁閉難題(詳見第’0章)·(3)OCD強(qiáng)子物質(zhì)可以存在由膠子自由度激發(fā)引起的膠球和混雜態(tài)形式·這是夸克模型中沒有的強(qiáng)子物質(zhì)的新形態(tài)，或者說是規(guī)強(qiáng)子態(tài)·(4)可以存在稠窖的由退禁閉的夸克和膠子構(gòu)成的物質(zhì)新形態(tài)——夸克一膠子等離子體及色超導(dǎo)體．’在裸夸克質(zhì)量消失的極限情況下，CX3D拉氏量在手征變換下是不變的，即具有手征對稱性．這時(shí)正宇稱態(tài)和負(fù)宇稱奮是質(zhì)量退化的，但在低階強(qiáng)子譜中未觀察到這一現(xiàn)象．這表明，在低能標(biāo)度時(shí)手征對稱性是破缺的．手征對稱性的自發(fā)破缺由qq的真空期望值即手征凝聚(或者說夸克凝聚)(iq)標(biāo)志，這是輕夸克u、d、s得到組分質(zhì)量的主要來源．由此也表明，在從高能標(biāo)度到低能標(biāo)度變化時(shí)核子內(nèi)的夸克自由度也發(fā)生改變．OCD拉氏量中由膠子的自作用引起的非線性導(dǎo)致QCD理論的求解十分困難·只有在與高能標(biāo)度和大動量轉(zhuǎn)移對應(yīng)的自由情況中可以用微擾論從OcD第一原理出發(fā)計(jì)算相關(guān)的物理過程．對大多數(shù)情況，現(xiàn)在還無法解析地求解OcD·一個(gè)可能的QcD解是將OCD放在格點(diǎn)上作數(shù)值計(jì)算得到的，這就是格點(diǎn)QCD·隨著計(jì)算機(jī)能力的提高和格．最計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，從QCD第一原理出發(fā)含少量夸克、膠子自由度的體系如核子、介子等強(qiáng)子性質(zhì)作格點(diǎn)QCD計(jì)算已發(fā)展成為有預(yù)言能力的理論途徑．但是，對較為復(fù)雜的體系如核子一核子相互作用、核多體系統(tǒng)及有限重子密度(化學(xué)勢)情況，目前的格點(diǎn)QCD還無能為力．此外，格點(diǎn)QCD通常給出的是數(shù)字而不提供直觀的解釋．因此，發(fā)展QCD的其他非微擾途徑十分必要，括Dvson．schwinger方程途徑、QCD求和規(guī)則和有效場論途徑及由此導(dǎo)出的模型·囤I．pan>給出了根據(jù)格點(diǎn)QCD和一些模型計(jì)算推測的T(溫度)一p(化學(xué)勢)OcD相圖示意圖．這里存在一條以丁=P=0為中心的扇形弧線，在扇形內(nèi)是.......